換熱器的設(shè)計

題目：列管式換熱器設(shè)計專題：用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管是換熱器的設(shè)計專業(yè)：姓名：指導(dǎo)老師：時間：一、題目及專題題目：列管式換熱器設(shè)計專題：用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管是換熱器的設(shè)計二、設(shè)計條件1、煤油從140℃冷卻到40℃,壓力1bar2、冷卻劑為水，水溫30℃，水壓力為3bar3、處理量：15t/h.流量。4、要求：選擇〔設(shè)計〕一適宜型號換熱器，管程和殼程的壓力不大于30Kpa

5、設(shè)備形式：列管式換熱器。三、設(shè)計說明書內(nèi)容

每個設(shè)計者必須提交的設(shè)計成果有：設(shè)計說明書一份，裝配圖，管板零件圖。

1、設(shè)計說明書必須包括下述內(nèi)容:

封面、目錄、設(shè)計任務(wù)書、設(shè)計計算書、設(shè)計結(jié)果匯總表、參考文獻以及設(shè)計自評等。

2、設(shè)計計算書的主要內(nèi)容應(yīng)包括的步驟:

1)收集物性常數(shù)、計算熱負荷。

2)根據(jù)換熱流體的特性和操作參數(shù)決定流體走向〔哪個走管程、哪個走殼程〕；計算平均溫差；

3)

初步估計一個總傳熱速率常數(shù)K估，計算傳熱面積A估；

4)

根據(jù)A估初選標準換熱器，定出實際的傳熱面積A實際。

5)

換熱面積的核算。

6)

管程和殼程壓力降的核算。

班級：組長：組員：日期：指導(dǎo)老師：目錄1、前言---------------------------------------------------------------------------42、設(shè)備與條件確實定---------------------------------------------------------53、工藝計算過程-----------------------------------------------------------------53.1、列管式換熱器的選用原那么、類型及其說明------------------------------63.2、列管式換熱器選型中的有關(guān)計算--------------------------------63.3流體流動空間及流體的物性參數(shù)--------------------------------83.4計算并初定型號--------------------------------------------------------------83.5核算總傳熱系數(shù)K值-----------------------------------------------------------103.6核算壓力降-----------------------------------------------------------------------134參考文獻-----------------------------------------------------------------------------155總結(jié)------------------------------------------------------------------------------------166附圖------------------------------------------------------------------------------------17〔一〕前言換熱器是許多工業(yè)生產(chǎn)部門的通用工藝設(shè)備，尤其是石油、化工生產(chǎn)應(yīng)用更為廣泛。在化工廠中換熱器可用作加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。換熱器的類型很多，性能各異，從早期開展起來的列管式換熱器到到近年來不斷出現(xiàn)的新型高效換熱設(shè)備，各具特點。進行換熱器的設(shè)計，首先是根據(jù)工藝要求選用適當?shù)念愋?，同時計算完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸。換熱器類型雖然很多，但計算傳熱面積所依據(jù)的傳熱根本原理相同，不同之處僅是在結(jié)構(gòu)設(shè)計上需根據(jù)各自設(shè)備特點采用不同的計算方法而已。列管式換熱器是一種結(jié)構(gòu)鞏固、可靠程度高、適應(yīng)性強、材料范圍廣的換熱器。因此在石油化工生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，尤其是高溫高壓等大型換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式。列管式換熱器的設(shè)計資料較完善，已有系列化的標準。目前我國列管式換熱器的設(shè)計、制造、檢驗、驗收按“鋁制管殼式〔即列管式〕換熱器”〔GB151〕標準執(zhí)行。列管式換熱器設(shè)計和分析包括熱力分析、流體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及強度設(shè)計。其中以熱力設(shè)計最重要。根據(jù)操作條件設(shè)計出符合條件的換熱器，設(shè)計方案確實定包括換熱器形式的選擇，加熱劑或冷卻劑的選擇，流體流入換熱器的空間以及流體速度的選擇。由于設(shè)計者的水平有限，方案中難免有不妥和錯誤之處，希望老師給予批評指正?！捕吃O(shè)備與條件確實定設(shè)備：列管式換熱器列管式換熱器的設(shè)計,首先要根據(jù)生產(chǎn)工藝條件的要求,通過化工工藝計算,確定換熱器的傳熱面積,同時選擇管徑、管頭,決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù).列管式換熱器的根本結(jié)構(gòu)：〔三〕工藝計算過程〔一〕選用原那么、類型及其說明1.列管式換熱器的選用原那么〔1〕滿足生產(chǎn)工藝要求〔2〕操作維護檢修方便〔3〕經(jīng)濟上合理〔4〕保證平安生產(chǎn)2．列管式換熱器的類型1、固定板式換熱器〔代號G〕設(shè)備型號內(nèi)容有：殼體公稱直徑〔mm〕，管程數(shù)，公稱壓力〔×9.81×10pa〕，公稱換熱面積〔m〕，如G800I-6-100型換熱器，G表示固定板式列管換熱器，殼體公稱直徑為800mm，管程數(shù)為1，公稱壓力為6×9.81×10pa，換熱面積為100m2、浮頭式列管換熱器〔代號F〕設(shè)備型號內(nèi)容有：殼體公稱直徑〔mm〕，傳熱面積〔m〕，承受壓力〔×9.81×10pa〕，管程數(shù)，如FA600-13-16-2型換熱器，F(xiàn)代表浮頭是列管換熱器，B表示換熱器為管徑QUOTE25mm×2.5mm，正方排列，殼體直徑為600mm，公稱傳熱面積為130m2，公稱壓力為16×9.81×10Pa，管程數(shù)位2。3、U型管式列管換熱器〔代號Y〕設(shè)備型號內(nèi)容有：公稱直徑〔mm〕，公稱換熱面積〔m〕，管程壓力〔×9.81×10pa〕/殼程壓力〔×9.81×10pa〕，管程數(shù)，如YB600-90-40/16-4型換熱器，Y代表U型管式列管換熱器，B表示換熱器為管徑QUOTE25mm×2.5mm，正方形排列，殼體直徑為600mm，公稱傳熱面積為90m2，殼體公稱壓力為16×9.81×10Pa，管程公稱壓力為16×9.81×10Pa，管程數(shù)位4。列管式換熱器選型中的有關(guān)計算在列管式換熱器的選型中，有些設(shè)備尺寸、工藝參數(shù)等，需要根據(jù)生產(chǎn)具體情況自主家以前確定，有些需要精心計算，如對流傳熱系數(shù)、平均溫差，管程與殼程的壓力降等，以確保換熱器的選型合理。1、傳熱速率根本方程式在穩(wěn)態(tài)傳熱下，總傳熱系數(shù)K隨時間變化不大時，那么Q=KA△tm式中Q----傳熱系數(shù)，W；K----總傳熱系數(shù)，W/〔m2·K)；A----與K對應(yīng)的傳熱面積，m2；；---平均溫度差；〔2〕對數(shù)平均溫度差〔1〕在無相變理想逆流或并流熱換器中，對數(shù)平均溫度差為式中△t1、△t2分別為換熱器的溫差，單位為K。當△t1/△t2<2時，可用算數(shù)平均溫差代替對數(shù)平均溫差。〔2〕在冷、熱流體復(fù)雜流向的換熱器中，無相變時，對數(shù)平均溫差為式中---按理想逆流情況下求得的對數(shù)平均溫度差；---------溫度校正系數(shù)，是R和P兩因數(shù)的函數(shù)，即=f〔R,P〕.在函數(shù)中根據(jù)冷、熱流體進出口溫度，依上式可求出R和P值，于是溫度差校正系數(shù)值可根據(jù)R和P兩參數(shù)從對應(yīng)的圖中查出。要注意的是，圖與殼程、管程類型是一一對應(yīng)的。只要確定殼程、管程的類型，從相應(yīng)的圖中就可以查的得溫度差校正系數(shù)。3．總傳熱系數(shù)KK值的計算公式為式中A——任一選定的座位計算K值的基準傳熱面積，；K——基于A值的總傳熱系數(shù)，〕；，——分別為管兩側(cè)的污垢熱阻，K/W;,——分別為管兩側(cè)及管平均的傳熱面積，；——管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m;b——管壁厚度，m。上式表示為傳熱總熱阻為兩側(cè)流體的熱阻、管壁熱阻以及管壁兩側(cè)污垢熱阻之和。在計算時，K值可以以任一傳熱面積為基準進行計算，但一般常以管外側(cè)面積為基準。4.流體流動阻力的計算由于在生產(chǎn)任務(wù)中對管程、殼程的壓降往往提出具體要求，所以要分別計算出兩流體的阻力損失。目前計算管程，殼程論壇阻力的公式較多，這里僅僅介紹其中的一種。管程流體流動阻力單管程流體阻力可按照一般摩擦阻力公式計算。對于多管程換熱器，其管程總阻力〔或壓降〕式中——管程總阻力，Pa；——單程直管中因摩擦阻力引起的壓力降，可按一般摩擦阻力公式計算，Pa；——回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，可由經(jīng)驗公式J進行近似計算，Pa；F——結(jié)垢校正因數(shù)，無因次，對的管子取1.4；對的管子取1.5；——殼程數(shù)；——為一殼程中的管程數(shù)〔各殼程相同〕。殼程流體流動阻力由于殼程流體流動形態(tài)特別復(fù)雜，所以目前提出的殼程阻力計算公式很多，下面是其中的一個。式中Re=——按殼程流通截面計算所得的殼程流速，m/s；——折流擋板間距，m；——管子外徑，m；——管中心距，m；——折流擋板數(shù)；——殼程的當量直徑，m。〔三〕流體流動空間及流體的物性參數(shù)〔1〕、流體流動空間的選擇與煤油相比，水易結(jié)垢，且對流傳熱系數(shù)一般較大，所以冷卻水走換熱器的管程；煤油走換熱器的殼程，這也有利于散熱降溫。〔2〕、流體的物性參數(shù)取冷卻水出口溫度為40℃，其定性溫度為1/2〔40+30〕=35℃;煤油的定性溫度為1/2〔40+140〕=冷卻水和煤油的物性參數(shù)密度Kg/m比熱容〔KJ/〔kg.K〕粘度/〔Pa.s〕導(dǎo)熱系數(shù)/〔W/(M.k煤油8102.30.13水9944.1870.626試算并初選換熱器型號計算熱負荷和冷卻水用量忽略換熱器的熱損失，冷卻水用量計算兩流體的平均溫度差先按理想逆流傳熱溫度差進行計算，即再按單殼程，雙管程進行計算，對逆流傳熱溫度差進行校正。R=P=由R和P值，查溫度差校正系數(shù)圖，得溫度校正系數(shù)，可行。所以修正后的傳熱溫度差為.初選換熱器類型與型號由于兩流體間的溫差較大，需要溫度補償;同時為了便于殼程污垢清洗，采用系列的浮頭式列管換熱器為宜。假設(shè)選換熱器型號，需知傳熱面積。要計算傳熱面積，又需先求出總傳熱系數(shù)K，而K值又有兩流體的對流傳熱系數(shù)、垢層熱阻等所決定。但在換熱器型號未確定之前，換熱器直徑、換熱器規(guī)格與根數(shù)等參數(shù)根本無法計算，所以對換熱器具體型號的選擇只能進行試算。參照列管換熱器中K值的大致范圍，根據(jù)量流體的具體情況，初步選定總傳熱系數(shù)K=300W/(m2·K).于是換熱器的傳熱面積可初步確定，即取管內(nèi)冷卻水流速u=0.8m/s。換熱管選換熱器用普通無縫鋼管ф25mm×2.5mm，管內(nèi)徑d=0.025-2×0.0025=0.02m，于是單程管根數(shù)n′為取n′=92根，按雙程計算，那么需換熱器總管數(shù)為2×92=184根。這樣，在換熱器系列標準中，初步選定具體型號為FB--600--95--16--2型換熱器，具體參數(shù)見下表：殼徑/mm600管子尺寸Ф=25mm×2.5mm公稱壓力/×9.81×10416管長/m6公稱傳熱面積/m295管子總數(shù)208管程數(shù)2管子排列方式正方形斜轉(zhuǎn)450殼程數(shù)1折流擋板形式圓缺行初步確定該型號換熱器是否可用，還要進行進一步核算。〔五〕核算總傳熱系數(shù)K值計算管程對流傳熱系數(shù)該型號換熱器總管數(shù)為208根，由于是雙管程，所以管程的流通截面積為這樣，管內(nèi)冷卻水的實際流速對流傳熱系數(shù)計算殼程流體對流傳熱系數(shù)取換熱器列管中心距t=32mm。流體通過管間的最大截面積，即殼程的流通截面積A為殼程中煤油的流速當量直徑=0.027m由于殼程流體被冷卻，所以取，于是殼程流體的對流傳熱系數(shù)為污垢熱阻管程和殼程污垢熱阻分別取核算總傳熱系列K值管壁熱阻可忽略時，以管外外表積為準，總傳熱系數(shù)為=345W/(.K)在初選換熱器型號時，要求換熱過程的總傳熱系數(shù)為300W(m.K).通過核算，知道該型號換熱器在規(guī)定的流體流動條件，所能提供的總傳熱系數(shù)為345W/(m。K)，故所選換熱器型號是適宜的。總傳熱系數(shù)的裕度為核算傳熱面積按核算后所得的總傳熱系數(shù)值計算，那么完成換熱任務(wù)所需傳熱面積為而該型號換熱器實際傳熱面積A為從傳熱面積的核算中也可知，所選換熱器是可用的。換熱面積的裕度為〔六〕核算壓力降因為管程和殼程都有壓力降的要求，所以要對管程和殼程的壓力降進行核算。1、計算管程壓力降管程壓力降計算的通式為式中，殼程數(shù)=1,管程數(shù)=2可知管程流體呈湍流狀態(tài)。取管壁粗糙度，相對粗糙度關(guān)聯(lián)圖可知摩擦因數(shù)，所以于是2．計算殼程壓力降由于殼程流體的流動狀況比擬復(fù)雜，所以計算殼程流體壓力降的表達式很多，計算結(jié)果也相差很大，這里用埃索法來計算。即式中——流體橫過管束的壓力降，Pa；——流體通過折流擋板缺口的壓力降，Pa；——殼程壓力降的垢層校正系數(shù)，無因次，對于液體取1.15，對于氣體取1.0；——殼程數(shù)。而式中F——管子排列方法對壓力降的校正系數(shù)，對正三角排列F=0.5，對正方形斜轉(zhuǎn)45度排列F=0.4，正方形排列F=0.3；——殼程流體的摩擦因數(shù)，當Re>500時，=；——橫過管束中心線的管子數(shù)，對正三角形排列，對正方形排列〔式中n為換熱器總管數(shù)〕；——折流擋板數(shù)；h——折流擋板間距，m；——按殼程流通截面積A0計算的流速，而；D——殼徑，m；d0————換熱管外徑，m。在本設(shè)計中管子的排列方式對壓力降影響的校正因數(shù)Fs=1.15，殼程數(shù)Ns=1。管子為正方形斜轉(zhuǎn)45度排列，管子排列方式對壓力降的校正系數(shù)F=00.4。橫過管束中心線的管子數(shù)=。取折流擋板間距h=0.15m。折流擋板數(shù)殼程流通截面積>500==于是所以通過以上壓力降核算